第14章光谱技术

TOC\o"1-3"\h\z\u第一节光谱分析技术概述 2一、发展历程 2（一）开创时期 2（二）奠基时期 3（三）成熟时期 3（四）发展的快速进步时期 4（五）新的发展阶段 5二、分类 6（一）光谱分析方法的分类 6（二）典型光谱分析方法介绍 7三、应用情况 9（一）适用性 9（二）特点 10第二节光谱分析技术基本原理 11一、光谱的基本知识 11（一）光和光谱 11（二）光谱分析原理 12二、电网设备常见材质 14（一）碳素结构钢 14（二）低合金高强钢 15（三）不锈钢 18（四）铝及铝合金 19（五）铜及铜合金 20三、光谱分析仪组成及基本原理 21第三节光谱分析及诊断方法 25一、分析方法 25（一）分析前的准备 25（二）现场分析测量 25二、诊断方法 26（一）试验数据的处理 26（二）光谱分析的注意事项 27第四节典型光谱分析案例分析 28一、隔离开关连杆球铰光谱分析 28（一）案例经过 28(二）检测分析方法 28（三）.其他检测方法的验证 30（四）断裂原因分析 32（五）结论 32第十四章光谱分析技术第一节光谱分析技术概述一、发展历程光谱分析法是基于物质发射的电磁辐射及电磁辐射与物质的相互作用而建立的分析方法。通过对物质光谱的分析，可以得到原子、分子等的能级结构、能级寿命、电子的组态、分子的几何形状、化学键的性质、反应动力学等多方面物质结构的知识，也可以藉此获得物质微观组成的信息，譬如获取金属的元素成分等。光谱分析技术发展至今，不仅是一种科学工具，也为化学分析提供了重要的定性与定量的分析方法。光谱分析法从开始研究到发展成一个学科再到现代光谱学的飞速发展，已有一百多年的历史了。从17世纪60年代光谱分析方法的发现到20世纪40、50年代跳出科学实验范畴成为广泛应用的分析检测手段以后得到快速发展再到21世纪各行业高精尖技术在光谱分析领域的成功应用，光谱分析技术已经成为现代科技必不可少的精密检测、分析手段，为现代天文学、航空航天、分子生物学、现代医学、环境和生态等新科技的建立和发展提供基础，而且为现代大工业、现代农业、现代文化事业的大发展也做出不可低估的贡献。杨铭珍对光谱分析方法在1980年之前的发展历史进行过相关综述，王昌益对1980年～1990年光谱分析的进展进行了分析，范世福对20世纪末和21世纪初光谱分析技术的发展进行了评述，刘崇华等对光谱分析的发展历史进行了简要概括。在此基础上，本章将光谱分析法的发展大致可以分为五个阶段，第一阶段（1666年-1860年）是光谱分析的开创时期，第二阶段（1861-1900）是光谱分析的奠基时期，第三阶段（1901-1950）是光谱分析的成熟时期，第四阶段（1950-1980）是光谱发展的快速进步时期，第五阶段（1981-至今）光谱发展新的阶段。（一）开创时期图14-1牛顿和他的棱镜早在1666年，牛顿（I.Newton）把通过玻璃棱镜的太阳光分成从红光到紫光的各种颜色的光谱（见图14-1），由此发现白光是由各种颜色的光组成的。1802年，沃拉斯顿（W.H.Wollaston）在此基础上进行了改进并重做了该实验，观察到太阳的光谱线。1814年，德国光学专家、物理学家、光栅的发明者夫琅和费（J.Fraunhofer)继续研究了太阳光谱（见图14-2），发现了太阳光谱中有700多条黑线，并对这些黑线的相对位置进行了排列，因此后来将太阳光谱的黑线叫做“夫琅和费线”。图14-1牛顿和他的棱镜1859年10月，克希霍夫(Kirchhoff)和本生(Bunsen)，首先将分光镜用于化学分析，他们细致研究了金属在蒸发到火焰中或放电中就会发出同样的光谱，并利用这种方法先后发现了铯和铷元素，证明了光谱分析可以用作定性化学分析。同时，他们研制了第一台实用的光谱仪，使用了能产生较高温度和无色火焰的光源-本生灯，系统地研究了一些元素，确定了光谱与相应原子性质之间的简单关系，奠定了光谱定性分析的基础。图14-2夫琅和费和他的分光镜（二）奠基时期图14-2夫琅和费和他的分光镜自从克希霍夫和本生开创了光谱分析，相继有许多科学家利用该方法发现了许多新元素。由于天文学和化学的需要，而使光谱分析得到迅速发展和完善起来。在分光系统方面，从1869年～1892年期间，先后产生了迈克耳孙（Michelson)干涉仪、罗兰(Rowland)凹面光栅、艾勃特(Ebert)装置、瓦兹握茨(Wadsworth)装置、帕刑—朗格(Paschen--Runge)装置。这些装置中有很多经典设计到今天为止一直被广为应用。在接收(记录)系统方面，先后产生了干胶板、干胶片、软照相胶片等发明。在激发光源方面，1887年爱迪生(Edison)发明了白炽灯。在这期间1895年X射线的发现以及1897年汤姆逊(Thomson)发现电子也促使光谱发展。在理论上，1885年巴耳末（Balmer）在孟怀尔(Weawhile)得到光谱学上第一个光谱线的理论关系式，即大家熟知的巴耳末公式。里得伯(Rydberg)发展了巴耳末的理论,开始了定量的描述的里得伯公式。（三）成熟时期1900年～1920年期间，普洛克(Pollok)、朗拉得(Leonard)和德格拉孟得(deGramond)在光谱线出现的条数与在光源中存在的元素含量之间的关系方面进行了相关研究。1907年德格拉孟得发现了元素的最后线。在激发光源方面，1916年帕刑(Paschen)发现了空心阴极灯，1918年出现了真空火花。在分光系统方面，1910年出现了伊格尔(Eagel)装置。在技术上，1913年美国出现了第一个工业试验所。从1920年开始，光谱学的工作开始集中注意到近代发射光谱分析。1922年出现了定量摄谱分析的国际标准局。1925年由格拉奇(Gerlach)首先提出了内标原理，使光谱定量分析由于光源带来的不稳定得到相对稳定的结果，提高了光谱分析的精密度和准确度，此举真正奠定了光谱定量分析的基础，给光谱定量分析在实际应用上打开了道路。从此，光谱分析法逐渐代替了化学上的容量和重量分析法。由于光谱分析法准确、精密、灵敏、快速、经济、在技术上操作简便，在科学技术界普遍得到承认和应用。1929年1月，美国工业光谱分析专家之一C.C.莱取(C.C.Nitchie)主编的《光谱定量分析》文献第一次公开出版。在光源方面，相继出现了旋转火花光源、高压交流电弧、点火电弧、空气隙火花光源、空心阴极光源、可调火花光源。在光谱记录系统方面相继出现了测微光度计、对数扇板、对数阶梯光栏、对数阶梯减光板。在应用光谱方面，1938年由文森特(Vincent)、锁与尔(Sawyer)和杉普森(Sampson)首先将光谱化学分析引进铸造车间。（四）发展的快速进步时期从1947年半导体管的发明后，人们认识到低浓度的物质对于改变金属和半导体的物理、热和电的性质以及改变生物繁殖有着极其重要的作用，物质痕量分析得到发展，光谱分析技术因此进一步得到广泛应用，而且深入许多学科，如冶金、地质、农业、医药、食物、饮料加工、石油工业以及磨损金属的分析等等。光源技术发展很快，相继出现不同类型的电弧和火花光源。1958年开始，先后出现了持续ac电弧、三电极真空火花、等离子体喷焰光源、红宝石激光器、激光微探针火花、高频等离子体、高强度空心阴极光源、染料激光器、高重复频率火花、、辉光放电光源等光源，甚至出现了光子激光源和亚稳态能级激光源在光谱仪器方面，这一阶段出现了阶梯光栅(Echelle)装置、索拉—曼摸卡(Seya—Namioka)装置、纤维光学、阿比光谱仪、真空直读仪、远紫外光谱仪、全息光栅等等。特别是自本世纪50年代电子计算机出现以来，将计算机技术引入光谱，因此1958年出现了计算机与光谱仪联机的新的一代光谱仪，光谱仪方面的趋向小型化、自动化。（五）新的发展阶段在20世纪70～80年代，出现了电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP-AES）分析法，使发射光谱分析功能得到极大地提高，被誉为“发射光谱发展新的里程碑”。进入20世纪90年代，光谱分析向以下几个方向发展：一是向多仪器联合方向发展；二是向“化学修饰”方向发展；三是向样品非破坏性分析方向发展；四是Chemometrics兴起成为光谱分析的重要发展方向。从21世纪开始，全球范围各领域提出持续发展的更高、更新的要求即更高分辨率、更高灵敏度、更快分析速度、更少试样量、更小仪器体积、更牢固无故障结构、遥感遥测。与此同时，现代科技的新发展成果(如新探测原理、新数学手段、新计算机软硬件、新器件、新工艺)也为光谱分析技术的持续发展提供理论和物质基础，伴随着光谱仪器的发展，光谱分析技术获得100年未曾有过的突破性发展。随着高科技术的引入，一些新的光源（如微波等离子体、辉光放电、激光诱导等）的研制成功，以及广泛地应用微电子技术和数字化技术的结合，使发射光谱分析向高精度和高可靠性发展，向更宽广的应用范围发展。如今，光谱分析技术已经被广泛物理、化学、生物、农业、医学、天文、地质、工业等各个领域，如美国国家航空航天局（NASA）曾经将XRD技术（X射线衍射技术）成功的应用在火星科学实验室项目中的“好奇”号漫游者上（见图14-3）。图14-3“好奇”号漫游者图14-3“好奇”号漫游者综上，整个光谱分析是随着社会需要而发展起来的。首先由于天文、化学、物理方面的需要而奠定了基础。尤其是电的发现、光学和原子结构理论的发现奠定了它的理论基础，同时由于光谱分析法本身具有准确、精密、灵敏、快速、经济、方便的优势，很快普遍得到承认和应用。另一方面，由于其他科学技术的发展，光谱分析运用了这些新的科学技术，从而随着这些科技的发展而得到新的发展。但就光谱分析本身发展过程具体情况而论，不外乎是激发光源、分光系统和接受(记录)系统等三个方面不断得发展。二、分类（一）光谱分析方法的分类光谱分析法有多种分类方法。按照电磁辐射的本质来分，可以分为原子光谱分析法和分子光谱分析法，其中原子光谱分析法又可分为原子发射、原子吸收、原子荧光、X射线荧光4种，分子光谱分析法又可分为紫外可见光谱法、红外可见光谱法、分子荧光光谱法、分子磷光光谱法、核磁共振光谱法、化学发光光谱法6种。按照电磁的传递方式，又可分为吸收光谱法、发射光谱法和散射光谱法三类，前两大类又分别细分为4小类和6小类，散射光谱法用于物质分析主要是拉曼光谱法。具体分类方法见图14-4。当然，根据一些文献，按电磁传递方式还可以分为散射、折射、衍射、转动等4种来分，此处不赘述。原子光谱法原子光谱法原子发射原子吸收原子荧光X射线荧光紫外可见红外可见分子荧光分子磷光核磁共振化学发光分子光谱法光谱分析法原子吸收紫外可见红外可见核磁共振原子发射原子荧光分子荧光分子磷光X射线荧光化学发光吸收光谱法发射光谱法图14-4光谱分析技法的分类散射光谱法法散射光谱法法拉曼光谱法拉曼光谱法原子光谱法是由原子外层或内层电子能及的变化产生的，他的表现形式为线光谱（见图14-5）。属于这类分析方法的有，原子发射光谱法（AES），原子吸收光谱法（AAS），原子荧光光谱法（AFS)以及以X射线荧光光谱法(XFS)。分子光谱法是由分子中电子能级，振动和转动能级的变化产生的，表现为带光谱。属于这类分析方法的有，紫外可见分光光度法(UV-Vis)，红外光谱法（IR)分子荧光光谱法（MFS)和分子磷光光谱法(MPS)，核磁共振与顺磁共振波谱（N）等。图14-6纯乙醇、乙醇水溶液、纯水的吸收图谱图14-5H、He、Hg的原子线状光谱图14-6纯乙醇、乙醇水溶液、纯水的吸收图谱图14-5H、He、Hg的原子线状光谱（二）典型光谱分析方法介绍下面对光谱分析的几类典型的光谱分析方法分别简单介绍：1.原子发射光谱分析法（atomicemissionspectrum，AES）以火焰、电弧、等离子炬等作为光源，使物质的气态原子的外层电子受激发射出特征光谱,根据此特征光谱进行定量分析的方法称为原子发射光谱分析法。2.原子吸收光谱分析法（atomicabsorptionspectrum，AAS）当气态原子所吸收的光源提供的电磁辐射能与该物质的两个能级间跃迁所需的能量满足的关系时，原子将产生吸收光谱。利用原子吸收光谱来定量分析的方法称为原子吸收光谱分析法。3.原子荧光分析法（atomicfluorescencespectrometry，AFS）气态原子吸收特征波长的辐射后，外层电子从基态或低能态跃迁到高能态，然后又跃回基态或低能态时，同时发射出与原激发辐射波长相同或不同的荧光辐射，在与光源成90o的方向上，测定荧光强度进行定量分析的方法称为原子荧光分析法。4.X射线荧光分析法（X-rayfluorescenceanalysis，X-rayfluorimetry）原子受高能辐射，其内层电子发生能级跃迁，发射出特征X射线（X射线荧光），通过测定其强度进行定量分析的方法称为X射线荧光分析法。5.紫外吸收光谱分析法（ultraviolet-visibleabsorptionspectrum）利用溶液中分子吸收紫外和可见光产生跃迁所记录的吸收光谱图，进行化合物结构分析、定量分析的方法称为紫外吸收光谱分析法。6.红外吸收光谱分析法（infraredabsorptionspectrometry）利用分子中基团吸收红外光产生的振动-转动吸收光谱进行定量和有机化合物结构分析的方法称为红外吸收光谱分析法。7.分子荧光分析法（molecularfluorescencespectrometry）某些物质被紫外光照射激发后，在回到基态的过程中发射出比原激发波长更长的荧光，通过测量该荧光强度进行定量分析的方法称为分子荧光分析法。8.分子磷光分析法（MolecularPhosphormetricanalysis）处于第一最低单重激发态分子以无辐射弛豫方式进入第三重激发态，再跃迁返回基态发出磷光。通过测定该磷光强度进行定量分析的方法称为分子磷光分析法。9.核磁共振波谱分析法（Nuclearmagneticresonancespectroscopy）具有核磁性质的原子核（或称磁性核或自旋核），在高强磁场的作用下，吸收射频辐射，引起核自旋能级的跃迁所产生的波谱，叫核磁共振波谱。通过测定核磁共振波谱进行定量分析的方法称为核磁共振波谱分析法。10.化学发光分析法(Chemi-Luminescence，简称为CL)依据化学检测体系中待测物浓度与体系化学发光强度在一定条件下呈线性定量关系的原理，利用仪器对体系化学发光强度进行检测，而确定待测物含量的一种痕量分析方法称为化学发光分析法。11．拉曼光谱分析法（Ramanspectrometry）当光和物质分子作用时发生有能量交换的散射，这种散射叫拉曼散射。这种散射是光子与物质分子发生能量交换引起，即不仅光子的运动方向发生变化，能量也发生变化。这种散射光的频率与入射光的频率不同，称为拉曼位移。拉曼位移的大小与分子的振动和转动的能级有关，利用拉曼位移研究物质结构的方法称为拉曼光谱分析法。三、应用情况（一）适用性光谱分析方法应用在对电网设备部件成分分析的虽然时间不长，但已经显示出较好的适用性。由于种种原因，电气设备金属部件的材质质量往往未得到制造厂家和运行人员的重视。很多电网设备金属部件在运行不长就发生锈蚀、失效，运维人员往往采取直接停电更换的措施，未能深入找出部件锈蚀、失效的真正原因。而这其中相当一部分是由于电气设备的金属部件的材质达不到标准或设计要求。举例来说，依据DL/T-486-2010标准，对交流隔离开关和接地开关传动轴销要求“采用不锈钢或铝青铜等防锈材料”，“隔离开关和接地开关各种金属部件应能有效的防锈耐蚀”。但从实际检测情况来看，隔离开关连杆轴销的材质“以次充好、不达标”的现象比较多，轴销锈蚀断裂、因为轴销锈蚀而导致闸刀无法开合闸的现象也时有发生。储能筒的抱箍、断路器螺栓也时常发现因材质使用与设计时不同而锈蚀断裂。再比如，户外隔离开关机构箱按照标准要求应该用“不锈钢、铸铝或其他具有防腐措施的材料”，但往往可以看到运行几年以后的变电站机构箱锈蚀严重的现象。总之，电气设备的材质问题是影响电气设备运行安全的一大隐忧，选用一种行之有效的方法对电气设备材质进行检验是电力安全运行的必然要求。图14-7某变电站的GIS设备传动轴销锈蚀图14-7某变电站的GIS设备传动轴销锈蚀销子锈蚀目前电气设备主要采用的光谱分析法是X射线荧光法，由于目前市面上该种仪器的原理的手持式光谱仪外形小巧、轻便、携带方便、准确性高，特别适合用于变电工程的现场检测。便携式光谱仪不需要被检测设备本身带电，也不需要外接电源，仅依靠充电电池供电。因此，只要在人和带电体保持安全距离的情况下，操作人员手持便携式光谱仪可以检测带电电气设备的金属材料中的金属成分含量，当然，检测不带电电气设备更加方便。便携式光谱仪能立即知晓设备金属材料的成分含量，只要预先知道设备金属材料的牌号等信息，就能立即得知被检测的电气设备金属材料是否合格。2008年，浙江省电力公司某型号闸刀轴销发生断裂，经光谱分析，发现轴销材质与设计不符，厂家选用防腐蚀能力差的材料代替防腐蚀能力好的材料，后进行分析研究，发现该缺陷为家族性缺陷。该公司制定反措，对全省该型号的闸刀轴销进行排查，共更换482把该型号闸刀轴销，有效的避免了事故的进一步发生，保障了电网的安全运行。2010年～2013年，浙江省电力公司将不锈钢材质分析纳入变电工程基建阶段技术监督工作的必检项目，采用便携式光谱分析仪在现场进行监督检测。在3年时间中，发现一批材质不合格的金属部件。其中2011年发现30件，2012年发现63件，2013年发现13件。在全过程金属监督过程中，甚至发现某些设备还未投运就已经锈蚀(见图14-7)。表14-1浙江省电力公司2011年-2013年光谱分析发现缺陷年度（件）发现缺陷数量（件）201130201263201313综上所述，光谱分析可以有效的检测电气设备金属材质各金属元素含量是否达标，可以有效剔除不合格材质的金属部件，做到提前预防，为电网安全运行保驾护航。（二）特点光谱分析技术在电网设备的带电检测中应用，有下列特点：操作简便，快速，适宜带电检测。光谱分析中一些设备结构小巧，操作简单方便，在现场可以直接使用，在保证安全距离的情况下，设备不必停电，可以对设备上的金属部件进行成分分析，并且能理解知晓检测结果。灵敏度高。能准确的检测金属部件中的化学元素成分。目前，大多数分析方法对常见元素或化合物的相对灵敏度可达到百万分之一，绝对灵敏度可达10-8g。测量范围宽。几乎所有金属材料都可以检测，检测的基体有铁、铝、铜、镍、钴、钛、镁、锌、铅、锡、金、银、铂、钯、钌等基体。操作简单易学。带电检测使用的便携式光谱仪操作简单易学，一般技术人员通过培训，半天即可学会操作，适合推广应用。局限性：1）光谱定量分析建立在相对比较的基础上，必须有一套标准样品作为基准来定量，而且定量结果容易受基体的影响，即要求标准样品的组成和结构状态与被分析的样品基本一致，给实际应用带来一定的困难。2）目前不能实现远程控制，带电检测时检验人员手持设备，要时刻与设备的带电部分保持安全距离。这给设备的带电检测造成的一定的不便。第二节光谱分析技术基本原理一、光谱的基本知识（一）光和光谱光具有波动性和粒子性，即波粒二象性。从射线一直到无线电波都是电磁辐射，光也是电磁辐射的一部分（见图14-8），他们在性质上是完全相同的，区别在于波长或频率不同，即光子具有的能量不同。按照不同波长有序排列的电磁辐射就组成所谓的光谱。根据实验条件的不同，各个辐射波长都具有各自的特征强度。将各种电磁辐射按照波长或频率的大小顺序排列所成的图或表称为电磁波谱，电磁波谱波长范围及其跃迁类型见表14-2。图图14-8光波谱区及能量跃迁图表14-2表14-2电磁波谱波长范围及其跃迁类型波谱区名称波长范围波数δ/cm-1跃迁能级类型γ射线5-140pm2×1010-7×107核能级X射线10-3-10nm1010-106内层电子能级远紫外光10-200nm106-5×104近紫外光200-400nm5×104-2.5×104原子及分子的

价电子或成键

电子能级可见光400-750nm2.5×104-1.3×104近红外光0.75-2.5μm1.3×104-4×103中红外光2.5-50μm4000-200分子振动能级远红外光50-1000μm200-10微波0.1-100cm10-0.01分子转动能级射频1-100m10-2-10-5电子自旋核自旋（二）光谱分析原理通过光谱的研究，人们可以得到原子、分子等的能级结构、电子组态、分子的几何形状、化学键的性质、反应动力学等多方面物质结构的信息。与此同时，光谱学方法应用在获取物质组成方面的信息，为化学分析提供了多种重要的定性与定量的分析方法。光谱分析的定性、半定量分析光谱分析一般可依据物质与光的相互作用产生的光谱的特征来定性，不同光谱特征有很大差异。光谱定性分析的任务主要是判断试样中含有哪些元素或是是否存在指定的元素，并粗略地估计这些元素的大致含量。电网设备带电检测所用的X射线荧光光谱法属于原子光谱法的一种，在此作简要说明。原子光谱由于属于线光谱，每种原子都有其独特的光谱，它们按一定规律形成若干光谱线系。每一种元素都有它特有的标识谱线，把某种物质所生成的明线光谱和已知元素的标识谱线进行比较久可以知道这些物质是由哪些元素组成的。因此，可直接依据其特征谱线波长来定性，如原子发射光谱即可依据某元素的特征波长判断是否为该元素。其他类型的光谱定性原理兹不赘。光谱半定量分析方法介于定性分析和定量分析之间，可以给出元素含量的近似值。半定量分析是以谱线数目或强度为依据的，但在进行光谱定性分析时，并不需要找出元素的所有谱线，一般只需找出一根或几根灵敏线即可。光谱分析的定量原理光谱分析定量原理一般是依据光的强度与待测分析物质含量有确定的函数关系，根据样品中被测元素的谱线强度来准确确定该元素的含量。由于某种特定光谱光是由某特定物质产生的，一般该物质含量越大，相应的光谱光的强度也越大，在目前大多数光谱仪器中，通常是控制仪器在一定的条件下，通过建立特定光谱线的强度与待测分析物质浓度的函数关系，即通常所说的建立仪器校准工作曲线，随后测定未知样品对应的光谱谱线的强度，根据工作曲线计算出样品中待测分析物质浓度。而不同的仪器，上述谱线的强度与待测分析物质浓度的函数关系不同。对于原子发射光谱而言，各种元素某一特征谱线（特定波长的谱线）的强度和在光源中进行激发时所形成的蒸气云中该元素的原子浓度间存在的固定关系。被分析元素在样品中的浓度越大，则辐射谱线的强度也越大，由谱线强度大小即可判断元素浓度高低。吸收光谱一般都是基于符合朗伯-比耳定律来定量分析。即将光源辐射出的待测元素的特征光谱通过样品的蒸气中待测元素基态原子所吸收或溶液中待测物质分子吸收，由发射光谱被减弱的程度，进而求得样品中的待测元素/物质的含量。内标法定量原理内标法定量原理是光谱分析中重要原理之一。内标法的基本原理是在试样和各含量不同的一系列标准试样中，分别加入固定量的待测物质以外的纯物质，即内标物。同时测得此时标准试样中分析物和内标物对应的响应，以分析物和内标物的响应比对分析物浓度作图，得到相应的内标法曲线。最后用测得的试样与内标物的响应比在校正曲线上获得对应于试样的浓度。电网设备光谱分析使用的直读式光谱仪也采用内标法定量，其方法是在被分析元素中选一根谱线为分析线，在基体元素或定量加入的其他元素谱线中选一根谱线为内标线，分别测量分析线与内标线的浓度，求出他们的比值。该比值不受实验条件变化的影响，只随试样中的元素含量变化而变化。在分析时，测得试样中线对的相对强度，即可由校准曲线查得分析元素含量。二、电网设备常见材质电网设备因用途不同和服役环境的不同常常要求采用不同种类材料。常用材料有碳素结构钢、低合金高强钢、不锈钢、Al合金、铜及铜合金等，譬如输变电线路杆塔、架构常常采用碳素结构钢；紧固件等常采用低合金高强钢；GIS设备根据电压等级的不同常采用不锈钢或Al合金；隔离开关连杆、轴销、操作机构端子箱等要求具有良好防锈蚀作用的设备或部件常采用不锈钢、Al合金、铜及铜合金等材料。下面分别对这几种常用材料的性能进行介绍：（一）碳素结构钢Carbonstructuralsteel，是一类含碳量约0.05％～0.70％的碳素钢，个别高达0.90％。电网设备中主要用于制作输变电线路杆塔、架构等承重部件、金具、紧固用螺栓和螺母等机械零件。碳素结构钢主要要求其保证力学性能，故其牌号体现其力学性能，用Q＋数字表示，其中“Q”为屈服点“屈”字的汉语拼音首字母，数字表示屈服点数值，例如Q235表示屈服点为235Mpa。若牌号后面标注字母A、B、C、D，则表示钢材质量等级不同，含S、P的量依次降低，钢材质量依次提高。若在牌号后面标注字母“F”则为沸腾钢，标注“b”为半镇静钢，不标注“F”或“b”者为镇静钢。例如Q235-A.F表示屈服点为235Mpa的A级沸腾钢，Q235-C表示屈服点为235Mpa的C级镇静钢。碳素结构钢一般情况下都不经热处理，而在供应状态下直接使用。通常Q195、Q215、Q235钢中碳含量低，焊接性能好，塑性、韧性好，有一定强度，常轧制成薄板、钢筋、焊接钢管等，用于桥梁、建筑等结构和制造普通螺钉、螺母等零件。Q255和Q275钢碳含量稍高，强度较高，塑性、韧性较好，可进行焊接，通常轧制成型钢、条钢和钢板作结构件以及制造简单机械的连杆、齿轮、联轴节、销等零件。常见牌号的碳素结构钢的化学成分（按GB/T700-2006和DL/T764.4-2002）见表14-3。表14-3常见牌号碳素结构钢的化学成分牌号等级C%Mn%Si%≤S%≤P%≤脱氧方法Q195-0.06～0.120.25～0.500.300.0500.045F、b、zQ215A0.09～0.150.25～0.550.300.0500.045F、b、zB0.045Q235A0.14～0.220.30～0.650.300.0500.045F、b、zB0.12～0.200.30～0.700.045C≤0.180.35～0.800.0400.040zD≤0.170.0350.035TZQ255A0.18～0.280.40～0.700.300.0500.045ZB0.045Q275-0.28～0.380.50～0.800.350.0500.045Z（二）低合金高强钢低合金高强钢是指其含碳量通常小于0.25％，合金元素含量不超过5％的钢材，焊接性能良好。这种钢材在冶炼时添加入合金元素后钢材强度明显提高，使钢结构构件的强度、刚度、稳定三个主要性能指标大幅度提高，从而节约用钢量。尤其在大跨度或者重负荷结构中更为突出，一般可比碳素结构钢节约20％左右用钢量。根据国家标准规定，低合金钢高强钢可分为8个牌号：Q345、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620、Q690；根据质量不同又分为A、B、C、D、E等级，见表14-4（按GB/T1591-2008《低合金高强度结构钢》）。表14-4常用低合金高强度结构钢的化学成分牌号质量等级C%≤Mn%Si%≤P%≤S%≤V%Nb%Ti%Al%≥Cr%≤Ni%≤Q295A0.160.80～1.500.550.0450.0450.02～0.150.015～0.0600.02～0.20-无无B0.160.80～1.500.550.0400.0400.02～0.150.015～0.0600.02～0.20-Q345A0.201.00～1.600.550.0450.0450.02～0.150.015～0.0600.02～0.20-B0.201.00～1.600.550.0400.0400.02～0.150.015～0.0600.02～0.20-C0.201.00～1.600.550.0350.0350.02～0.150.015～0.0600.02～0.200.015D0.181.00～1.600.550.0300.0300.02～0.150.015～0.0600.02～0.200.015E0.181.00～1.600.550.0250.0250.02～0.150.015～0.0600.02～0.200.015Q390A0.201.00～1.600.550.0450.0450.02～0.200.015～0.0600.02～0.20-0.300.70B0.201.00～1.600.550.0400.0400.02～0.200.015～0.0600.02～0.20-0.300.70C0.201.00～1.600.550.0350.0350.02～0.200.015～0.0600.02～0.200.0150.300.70D0.201.00～1.600.550.0300.0300.02～0.200.015～0.0600.02～0.200.0150.300.70E0.201.00～1.600.550.0250.0250.02～0.200.015～0.0600.02～0.200.0150.300.70Q420A0.201.00～1.700.550.0450.0450.02～0.200.015～0.0600.02～0.20-0.400.70B0.201.00～1.700.550.0400.0400.02～0.200.015～0.0600.02～0.20-0.400.70C0.201.00～1.700.550.0350.0350.02～0.200.015～0.0600.02～0.200.0150.400.70D0.201.00～1.700.550.0300.0300.02～0.200.015～0.0600.02～0.200.0150.400.70E0.201.00～1.700.550.0250.0250.02～0.200.015～0.0600.02～0.200.0150.400.70Q460C0.201.00～1.700.550.0350.0350.02～0.200.015～0.0600.02～0.200.0150.700.70D0.201.00～1.700.550.0300.0300.02～0.200.015～0.0600.02～0.200.0150.700.70E0.201.00～1.700.550.0250.0250.02～0.200.015～0.0600.02～0.200.0150.700.70（三）不锈钢不锈钢一般是不锈钢和耐酸钢的统称。它们化学成分上的共同特点一般是含有12％以上的Cr的以铁为基的合金（见表14-5）。不锈钢按照其金相组织不同可以分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、奥氏体-铁素体双相不锈钢。这4种不锈钢在C含量和主要合金元素含量上有明显差别，马氏体不锈钢Cr含量为12-13％；铁素体不锈钢C含量0.07-0.15％，Cr含量14-16％；奥氏体不锈钢Cl％，Cr15-40％，Ni20％，奥氏体-铁素体双相不锈钢Cr含量在18-28%，Ni含量3%-10%。电网设备中需要防锈的部件如金具、拉杆、隔离开关轴销、操作机构端子箱等很多采用的都是不锈钢。根据DL/T486－2010要求，隔离开关和接地开关的各种金属部件应能有效防锈耐腐，隔离开关轴销应采用不锈钢或铝青铜等防锈材料，对传动连杆材质应是满足机械强度和刚度要求的多棱型不锈钢无缝钢管或热镀锌无缝钢管。依目前国内的电网设备产品的用材看，不锈钢材质主要有以下几种：0Cr18Ni9钢0Cr18Ni9钢（美国ASME标准牌号为304钢）是一种含碳量超低的奥氏体不锈钢，不但具有良好的耐蚀性还具有一定的抗晶间腐蚀能力。该钢的焊接性能也较好，焊后不需要热处理。塑性和低温韧性也很好，并能抛光。目前工业国家超低C的Cr-Ni奥氏体不锈钢产量已达20-25％，而且几乎所有Cr-Ni奥氏体不锈钢新牌号均属超低碳类型。这类钢中含C量降到0.10％以下，既使较长时间敏化处理（或焊接），由于没有或仅有少量铬碳化物的沉淀，在腐蚀介质作用下，也不会再出现晶间腐蚀。在不同浓度和不同温度的一些有机酸和无机酸中，尤其在氧化性介质中都有良好的耐蚀性能。这种钢用于制造要求耐腐蚀的设备零部件，并可用作耐酸容器及设备衬里，输送管道等设备和零件。这类材料即使在苛刻条件下焊接和使用，也没有产生晶间腐蚀的危险，可应用电力设备闸刀拐臂销子、球铰、转动部件及其他金具、机构端子箱等对防腐蚀能力要求较高的场合。（2）1Cr17Ni2钢1Cr17Ni2钢属于马氏体型钢，经淬火至低温回火后，具有高的强度、韧性和耐腐蚀性能，可以用各种方法进行焊接。另外还具有良好的切削性能、冷冲压性能及抛光性能。为控制钢中铁素体含量，以免引起力学性能降低，应控制钢的铬、镍含量，即铬控制在0.11％～0.17％，镍控制在1.5％～2.5％。该钢经淬火－回火后使用。在800ºC以下空气介质中，具有稳定的抗氧化性能。不同介质不同条件下（酸性、碱性）的耐腐蚀性能高。（3）1Cr14Mn14Ni钢1Cr14Mn14Ni钢是一种常用的马氏体不锈钢。因为世界范围内镍的资料相当紧缺，在18-8系列钢的基础上，逐渐发展出一种用锰代替部分镍的Cr－Mn－Ni不锈钢材料。锰和镍一样，使能和铁形成无线互溶固溶体（奥氏体）的元素。锰有比镍大的固溶强化效应，使锰钢的机械性能改善，但锰不能像镍那样促进钢的钝化，锰稳定奥氏体的能力只为镍的1/2，锰还比较容易促使铬钢形成s相，易导致钢的脆性。但当铬量超过12％时，无论锰量如何增加，也不能得到单相奥氏体。如果在这种钢中加入少量镍，使铬量多于15％时，仍能得到单一的奥氏体组织。耐蚀性、机械性、焊接性与18-8系列钢相当，此时才可以替代18-8系列钢。在电网设备监督检测中，发现有使用1Cr14Mn14Ni钢代替18-8钢的现象，1Cr14Mn14Ni钢因防腐蚀能力不及18-8钢，在一些地区服役不长时间即发生断裂。表14-5电网常用不锈钢的化学成分牌号C%≤Mn%≤Si%≤P%≤S%≤Cr%Ni%Ti%0Cr18Ni90.062.001.000.0350.03017.00～19.008.00～11.001Cr18Ni90.04～0.102.001.000.0300.03517.00～19.008.00～10.00/1Cr18Ni9Ti0.122.001.000.0300.03517.00～19.008.00～11.005*(C%-0.02)～0.81Cr17Ni20.11～0.170.800.800.0350.03016.00～18.001.50～2.50（四）铝及铝合金铝合金广泛应用于电网设备各种金具、SF6电器外壳、管母线等，其密度为2.705×103kg/m3，熔点650OC。常用的铝合金有铸铝、锻铝、合金铝板等。铝合金按照牌号可分为9类，即1系至9系。1系：1000系列铝合金代表为1050、1060、1100系列。在所有系列中1000系列属于含铝量最多的一个系列。纯度可以达到99.00%以上。由于不含有其他技术元素，所以生产过程较单一，价格相对便宜，是目前常规工业中最常用的一个系列。市场上流通的大部分为1050以及1060系列。2系：2000系列铝合金代表2024、2A16（LY16）、2A02（LY6）。2000系列铝板的特点是硬度较高，其中以铜元素含量最高，大概在3～5%左右。3系：3000系列铝合金代表3003、3A21为主。我国3000系列铝板生产工艺较为优秀。3000系列铝棒是由锰元素为主要添加成分，含量在1.0～1.5之间，防锈功能较好。4系：4000系列铝棒代表有4A01。4000系列的铝板属于含硅量较高的系列。通常硅含量在4.5～6.0%之间。特点是低熔点、耐蚀性好，耐热、耐磨。一般用于建筑材料、机械零件锻造用材、焊接材料。5系：5000系列铝合金代表有5052、5005、5083、5A05系列。5000系列属于较常用的合金铝板系列，主要添加元素为镁，含镁量在3～5%之间。又可以称为铝镁合金。主要特点为密度低，抗拉强度高，延伸率高，疲劳强度好，但不可做热处理强化。6系：6000系列铝合金代表为6061。主要含有镁和硅两种元素，故集中了4000系列和5000系列的优点，6061是一种冷处理铝锻造产品，容易涂层，加工性能好。适用于对抗腐蚀性、氧化性要求高的场合。7系：7000系列铝合金代表为7075。主要添加有锌元素，属铝镁锌铜合金、超硬铝合金，可热处理、有良好的耐磨性和焊接性，但耐腐蚀性较差。8系：8000系列铝合金较为常用的为8011。属于其他系列，大部分应用为铝箔，生产铝棒方面不太常用。9系：9000系列铝合金是备用合金，不常见。例如：用于SF6电器外壳常见铝材有：铝板5A05-H112、5083-H112属于五系，锻铝6A02-T6，6063-T6属于六系；合金铝板2A12-H112属于二系，铸铝壳体用ZL101A属于一系。（五）铜及铜合金纯铜的导电、导热性能仅次于Ag（Ag、铜、Al、Mg、Zn、Ni），密度是8.94g/cm3，熔点是1083C。纯铜通常呈紫红色，故称紫铜。紫铜具有好的导电、导热、耐蚀和可焊等性能，是制备电网导电设备的良好材料。（工业上无氧铜及脱氧铜所含有杂质及微量元素均不同程度地降低铜的导电性和导热性。）铜合金分类：黄铜：铜-Zn为基的合金；白铜：铜-Ni为基的合金；青铜：除黄铜、白铜以外的铜合金。具体牌号和技术要求参见GB/T20078-2006《铜和铜合金锻件》。三、光谱分析仪组成及基本原理光谱分析仪是一种利用色散元件和光学系统将光辐射按波长分开排列，并用适当的接收器接受不同波长辐射的分析仪。本章主要以电网设备光谱分析中常用的直读光谱仪为例进行介绍。光谱分析仪基本组成包括光源、单色器、检测器、显示与数据处理。光源：包括连续光源、线光源、激光光源，连续光源包括氘灯、钨丝灯等；线光源包括金属蒸气灯(汞灯、钠蒸气灯)、无极放电灯等，提供特定波长的光源；激光光源高单色性、方向性强、亮度高、相干性好，在各类光谱仪中应用较多。单色器：获得高光谱纯度辐射束的装置，而辐射束的波长可在很宽范围内任意改变；主要部件：（1）进口狭缝；（2）准直装置(透镜或反射镜)：使辐射束成为平行光线；（3）色散装置(棱镜、光栅)：使不同波长的辐射以不同的角度进行传播；（4）聚焦透镜或凹面反射镜，使每个单色光束在单色器的出口曲面上成像。光电转换器：它是将光辐射转化为可以测量的电信号的器件，光电转换器要求：灵敏度高、S/N大、暗电流小、响应快且在宽的波段内响应恒定。发射光谱仪工作流程如下（如图14-9a）：样品（一般为液态）经过燃烧产生火焰，经过单色器将火焰产生的光变成单色光，检测器将单色光信号转换成电信号送入读出器进行数据处理，显示出最终结果。吸收光谱仪工作流程如下（如图14-9b）：光源发出特定的光，通过单色器转变成单色光，单色光照射样品，在样品上激发出特征光谱，检测器将特征光谱送入读出器进行数据处理，显示出最终结果。荧光和散射光谱仪（如图14-9c）：光源发出特定的光照射样品，在样品上激发出特征光谱经单色器转变成单色光，检测器将单色光的光信号转变成电信号送入读出器，读出器经过数据处理，显示出最终结果。单色器单色器样品检测器读出器件单色器检测器读出器件样品单色器检测器读出器件样品（a）（b）（c）图14-9各类光谱仪器部件示意图（a）发射光谱仪（b）吸收光谱仪（c）荧光和散射光谱仪目前电网设备光谱分析的带电检测采用的直读光谱仪一般为手持式X射线荧光光谱分析仪，其检测范围包括不锈钢、镍合金、12铬钢、蒙耐尔（其它铜-镍合金）、铬-钼钢、低合金钢、工具钢、铜合金（黄铜，青铜）、钛合金、铝合金、稀有金属等元素成分，但C、Si、Mg、P、S等轻元素除外。手持式X射线荧光光谱分析仪是一种基于XRF光谱分析技术的光谱分析仪器。X射线荧光产生的原理：物质是由原子组成的，每个原子都有一个原子核（图14-10最内圈的粒子团），原子核周围有若干电子（图14-10轨道上的圆球）绕其运动。不同元素形成了原子核外不同的电子能级。当能量高于原子内层电子结合能的高能X射线与原子发生碰撞时，驱逐一个内层电子从而出现一个空穴，使整个原子体系处于不稳定的状态，本身产生的空穴由其外层上电子再补充，直至最外层上的电子从空间捕获一个自由电子，原子又回到稳定态（基态）。当较外层的电子跃迁到空穴时，产生一次光电子，击出的光子可能再次被吸收而逐出较外层的另一个次级光电子，此称为俄歇效应，亦称次级光电效应或无辐射效应。所逐出的次级光电子称为俄歇电子。当较外层的电子跃入内层空穴所释放的能量不被原子内吸收，而是以光子形式放出，便产生X射线荧光，其能量等于两能级之间的能量差。图14-10X射线荧光法基本原理因此，射线荧光的能量或波长是特征性的，与元素有一一对应的关系。这个关系是1913年由莫斯莱（H.G.Moseley）发现的，他发现X射线荧光的波长λ与元素的原子序数Z有关，其数学关系如下：式中K和S是常数。因此，只要测出荧光X射线的波长，就可以知道元素的种类。此外，荧光X射线的强度与相应元素的含量有一定对应关系，据此，可以进行元素定量分析。X射线荧光光谱分析仪各组成部分：大功率微型直板电子X射线管、Au或Ag靶（内置）、硅漂移探测器、恒温冷却系统、滤波轮、电源、触摸显示彩屏以及数据存储、传输、处理系统等组成。X射线荧光光谱分析仪的工作原理（见图14-11）：X射线荧光光谱分析仪使用一个大功率微型直板电子X射线管（1）发出足够能量的X射线源，在原子水平上激励材料，以将内侧轨道上的电子撞出；通过滤光轮（2）选择有用光束，再通过XRF－X射线束（3）优化的光束路径，打到被检样品表面激发各种元素不同波长的特征谱线，通过大区域硅漂移探测器（SDD）（5）接收，测量在元素外侧轨道电子变换轨道位置以获得稳定状态时所释放的信号能量，通过元素的信号能量（Kev）辨别元素，而信号的密度用于判断元素的含量。通过XRF数据处理软件提供有关材料的定性、半定量及定量信息，其中包含光谱视图和元素峰值辨别。①XRFX射线管②滤光轮③XRFX射线束④XRF样品⑤XRFSDD探测器①XRFX射线管②滤光轮③XRFX射线束④XRF样品⑤XRFSDD探测器图14-11X射线荧光光谱分析仪原理示意图第三节光谱分析及诊断方法一、分析方法手持式X射线光谱仪体型小巧、便于携带、操作简便、外部结构坚固密封且不会对被检金属部件造成损伤，能对工件合金元素进行定量或半定量测量，故常用手持式X射线光谱仪进行电网设备现场带电设备的光谱分析检验。（一）分析前的准备1.资料收集。进行带电设备的金属部件光谱分析之前，应首先了解被检部件的名称、材料牌号、热处理状态等。应熟悉该金属部件材质牌号或所含化学元素种类及合金元素含量。一般来说，电网设备金属部件的材质要求来自于两个途径，一是国家、行业或国网公司标准的要求，二是制造厂的设计要求。若被检测的部件材质在国家、行业、国网公司标准中有要求，则按照标准要求执行；若被检测的部件在国家、行业、公司标准中未有明确要求，则可按照制造厂对该部件的设计要求执行。2.被检部件表面状况准备。到达作业现场后，应检查被检材料和环境是否存在影响分析结果的因素，如是否有镀层、油漆、油污、氧化层等，如果有必须清理干净，避免这些因素对检测结果造成影响。然后对被检测部件进行宏观检查，部件表面不得有裂纹、疏松、腐蚀、氧化等，被检材料还应有一定的平整面，能覆盖检测窗口。目前国内市场上某些品牌的仪器在显示屏上利用软件可以将检测窗口调整至3mm直径的圆周范围。若对铁基材料进行分析，分析面可用砂轮机或砂纸打磨处理。但值得注意的是：分析铁基材料中的铝元素、硅元素、碳元素时，分析面不应使用含铝的磨料（如氧化铝）、含硅磨料（如硅砂轮）和含碳磨料（如碳化硅）打磨处理。分析铜基、铝基材料，分析面不宜用砂轮机打磨。3.仪器准备。仪器使用前检查是否正常，电源是否充足。开机后应使用相近材质的标准样品进行状态确认，若仪器显示元素含量和标准样品接近，则可接受，若相差较远，则按照说明书进行校准。（二）现场分析测量手持式X射线光谱分析仪测量操作均比较简单，不同的仪器设备有不同的操作步骤和使用方法。手持式X射线荧光光谱仪操作步骤：（1）检查被检测部位表面状况，合乎检测要求。（2）将检测窗口对准被检测部位，让检测窗口与被检测部位尽量贴合好。（3）扣动光谱仪扳机，等待约10S～30S（根据实际检测情况而定）。（4）从显示屏读出示数。分析成分均匀材料应至少检测3次，取其平均值作为检测结果。（5）做好现场记录。（6）判定是否合格。（6）编写检测报告。需要注意是：有的仪器要根据测试样品属性选择模式：包括合金、涂层、大块样、薄片等选项，有的仪器需要校准，有的仪器测量轻金属（铝、硅元素）时会用到第二光束。第一次使用仪器之前应仔细阅读仪器的使用说明书，了解仪器的特点和注意事项，避免因误操作造成仪器损坏或检测结果错误。二、诊断方法电网材料进行光谱分析主要有3个目的：材质复核，混料分选，粗定材质。目的不同对分析精度的要求也不相同，粗定材质一般为更准确的测定提供依据，相对精度要求较低。混料几种材料合金元素不同，比较容易区别，如果所含元素相同，成分接近就比较难以区分，甚至需要更精度更高的仪器进行分析，如定量光谱分析或化学元素分析法来确定。材质复核要求精度相对较高，需要了解被检工件的各元素组成和含量，并确定含量是否满足要求。直读光谱仪的操作和定量分析应符合GB/T14203相关条款规定；碳元素和中低合金钢定量分析的分析条件和分析步骤应符合GB/T4336相关条款规定；不锈钢定量分析的分析条件和分析步骤宜执行GB/T11170相关条款规定；铝及铝合金的分析条件和分析步骤宜执行GB/T7999相关条款规定。（一）试验数据的处理根据国家标准、行业标准、公司标准以及其它相关材料的标准要求对光谱仪的试验结果进行核对，核对测得的元素含量是否在标准规定的要求范围内，若满足要求，则表明被检测金属部件满足要求，评判合格。若初步分析不满足要求时，应进行以下分析确认。1．首先分析试验过程是否符合要求，排除试验造成的误差因素后，应进行多次重复测量，确定元素的分析值超出标准要求。2．确定分析值超出标准要求的元素是否是仪器测量范围内。3．当确定元素的分析值超出被检材料牌号规定的含量范围时，应在同一条件下用稍高含量的标准样品对光谱仪进行复核。4．对大型工件、铸件及容易产生成分偏析的部件，应在其一定距离范围内进行多点、多次分析。5．对试验结果有怀疑是可用普通化学分析法进行最终确认。6．不宜用直读光谱分析法代替普通化学分析法对合金成分进行仲裁。（二）光谱分析的注意事项1.操作者对待分析的材料必须有深刻的理解，才能找出待分辨材料牌号之间的特征差异进行区别；由于现场工作条件及仪器固有偏差，因此在利用光谱仪进行材料辨别时，还需要人工经验确认，防止出现错误。2.光谱分析的人员要仔细了解被检部件相关材料信息：原始状态，包括规格，材质、热处理状态等。2.了解仪器设备测量范围，如某些设备一些非金属元素无法测量等。3.测量时，枪头前严禁站人，严禁对人扣动扳机；严禁雨天在室外进行光谱分析工作，避免仪器受雨淋；严禁在易燃易爆物品附近进行光谱分析；在高空作业时人和机器要有防坠装置。4检测时，仪器应轻拿轻放。测试时严禁关闭主机电源，否则会损伤仪器。仪器存放湿度应适宜，如长期未使用，需打开电源预热30分钟再打开软件进行测量。5应特别注意的是:对电气设备在带电状态下进行光谱分析，应严格执行国家电网安监［2009］664号《国家电网公司电力安全工作规程（变电所部分）》和DL/T5009.3-2005《电力建设安全规定》关于设备不停电时的安全距离的规定（见表14-6）。表14-6设备不停电时安全距离电压等级(kV)安全距离(m)电压等级(kV)安全距离(m)10及以下(13.8)0.707507.2020、351.0010008.7063(66)、1101.50±50及以下1.502203.00±5006.003304.00±6008.405005.00±8009.30第四节典型光谱分析案例分析一、隔离开关连杆球铰光谱分析（一）案例经过2008年6月2日，运行人员发现某电力局（现名“供电公司”）瓯海变海场4357线正母闸刀A、B相间操作连杆断裂，不能分闸。闸刀型号为DR21-MH25，编号为04/K60002023，连杆材料为0Cr18Ni9。该闸刀于2003年投入运行，2008年6月发生首次断裂，据了解该连杆机构比其它线路操作频繁，连杆机构现场连接结构见图14-12。现场取样2个连杆构件进行断裂原因分析。结果表明，由于断裂连杆与设计材料不符（耐腐蚀性能较差），在T型接头根部产生局部腐蚀，该连杆机构在每次动作时，瞬时应力较大，根部应力集中，首先产生应力腐蚀微裂纹，裂纹在多次动作应力作用下扩展，引起连杆断裂。(二）检测分析方法1.宏观检查在断裂连杆上明显有一段螺杆存在腐蚀现象，断口也有明显腐蚀现象(见图14-13)，且螺母和螺杆连接处已腐蚀卡涩，而未断连杆不存在腐蚀现象，图14-图14-12隔离开关连杆断裂部位断裂部位取样连杆断裂部位位于T型接头根部（见图14-13、14-14），断口明显分为3个区域，①起源部位，②扩展部位（有明显的贝纹区，灰色区域），贝纹较少但很明显，疲劳面积较少；③撕裂部位（暗色区域），裂纹扩展较快，疲劳断面比较粗糙，见图14-15，有低周疲劳的特征。2.光谱分析图14-14图14-14断裂样断口宏观照明显腐蚀图14-15断口体视镜放大照断裂球铰未断球铰图14-13现场取样的断裂球铰和未断裂球铰表14-7断裂连杆和未断裂连杆螺栓螺母元素含量部件名称光谱分析元素含量（％）结果评定CSiMnPSCrNiCu断裂球铰螺栓0.1200.44114.400.0080.00214.380.670.100不符断裂球铰螺母0.0790.3911.940.0020.00820.267.562.10基本合格断裂球铰未断部位螺母0.0190.2791.130.0310.00720.019.070.210基本合格断裂球铰螺栓（长）0.1490.48914.400.0290.00214.340.730.094不符未断球铰螺栓0.0760.4431.150.0370.00818.617.800.211基本合格未断球铰